专利名称：基于moems的变焦和调焦系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于MOEMS的变焦和调焦系统，尤其是用于目标探测中的变 焦方法和变焦装置。
背景技术：
为了获取清晰的成像效果，要求光学组件具备良好的快速变焦能力。传统的 变焦系统是通过改变光学系统组元之间的间隔和结构替换的方式来改变光学系 统的有效焦距和系统的视场角；其中光学系统运动组元筒凸轮的机械运动，通 常由电机和齿轮传动机构驱动，实现变焦和调焦功能，响应时间需要几百毫秒； 采用结构替换形式来实现变焦的系统，则需采用复杂的转入转出机械结构。而 且尺寸过大不利于安装在小型空间探测器中。本系统釆用基于MOEMS (Micro-opto-electromechanical systems)器件可变形镜来提供变焦和调焦功能， 减小系统体积，取消了一些响应时间常数较大的机械传动件，使整个系统动态 响应性能大大提高，反应快捷，所采用的基于MOEMS可变形镜可以达到 lms 的响应时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种快速高效的微型自动化变焦和调焦系 统，能够满足空间探测器上对自动变焦和调焦的需求。
该基于M0EMS的自动变焦和调焦系统包括第一光学组、第二光学组和探测 器；第一光学组包括第一可变形镜和第一反射镜，第二光学组包括第一正透镜、 第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、第一反射镜、第三负透镜、第二可变 形镜、第三正透镜、第四负透镜、第四正透镜、第五负透镜，系统从物方到像 方的光学元件依次为第一光学组的第一可变形镜，第一光学组的第一反射镜， 第二光学组的第一正透镜，第二光学组的第一负透镜，第二光学组的第二正透 镜，第二光学组的第二负透镜，第二光学组的第一反射镜，第二光学组的第三 负透镜，第二光学组的第二可变形镜，第二光学组的第三正透镜，第二光学组 的第四负透镜，第二光学组的第四正透镜，第二光学组的第五负透镜，其中第
一光学组的第一可变形镜的法线与物方入射光线的光轴夹角等于ir，第一光学
组的第一可变形镜中心法线与第一光学组的第一反射镜法线的夹角等于45。，第 一光学组的第一反射镜法线与第二光学组第一正透镜光轴的夹角等于56。，第二 光学组的第一正透镜光轴和第二光学组的第一负透镜光轴为平行且同心，第二 光学组的第一负透镜光轴和第二光学组的第二正透镜光轴为平行且同心，第二 光学组的第二正透镜光轴和第二光学组的第二负透镜光轴为平行且同心，第二 光学组的第二负透镜光轴和第二光学组的第一反射镜法线夹角等于45。，第二光 学组的第一反射镜法线和第二光学组的第三负透镜光轴夹角等于45。，第二光学 组的第三负透镜光轴和第二光学组的第二可变形镜中心法线夹角等于45。，第二 光学组的第二可变形镜中心法线和第二光学组的第三正透镜光轴夹角等于45。， 第二光学组的第三正透镜光轴和第二光学组的第四负透镜光轴为平行且同心， 第二光学组的第四负透镜光轴和第二光学组的第四正透镜光轴为平行且同心， 第二光学组的第四正透镜光轴和第二光学组的第五负透镜光轴为平行且同心， 第二光学组的第五负透镜光轴和探测器中心法线为平行且同心，从物方入射光 线在第一光学组的第一可变形镜处被反射，再在第一光学组的第一反射镜处反 射，反射的光线进入第二光学组，透射通过第二光学组第一正透镜，透射通过 第二光学组第一负透镜，透射通过第二光学组第二正透镜，透射通过第二光学 组第二负透镜，在第二光学组第一反射镜处被反射，透射通过第二光学组第三 负透镜，在第二光学组第二可变形镜处被反射后，透射通过第二光学组第三正 透镜，透射通过第二光学组第四负透镜，透射通过第二光学组第四正透镜，透 射通过第二光学组第五负透镜，最后到达探测器； 本发明的有效效益是
1、 变焦光学系统结构紧凑，体积小巧；
2、 变焦光学系统像差校正良好，系统探测精度高，稳定性好。
3、 变焦光学系统有很大变焦比，目标探测范围可变，可以在较大范围内 寻找目标，并实现快速精确定位；
图1基于MOEMS的变焦和调焦系统结构示意图； 图2本发明的光学系统其中1-第一光学组，2-第二光学组，3-第一可变形镜，4-第二可变形镜， 5-变焦结构的第一光学组的折反射光学元件或光学系统，6-变焦结构的第二光学 组的折反射光学元件或光学系统，7-探测器，17-第二光学组的第一正透镜，18-第二光学组的第一负透镜，19-第二光学组的第二正透镜，20-第二光学组的第二 负透镜，21-第二光学组的第一反射镜，22-第二光学组的第三负透镜，23-第二 光学组的第三正透镜，24-第二光学组的第四负透镜，25-第二光学组的第四正透 镜，26-第二光学组的第五负透镜，27-第一光学组的反射镜。
具体实施例方式
本发明中第一光学组和第二光学组的光学焦距变化，是通过改变第一可变 形镜3和第二可变形镜4的曲率半径实现，如图1。本发明中用于目标探测的变 焦和调焦系统，变焦和调焦过程中两个光学组的轴上间隔不变，第一组元和第 二组元内部光学元件之间的间隔不变，第一组元和第二组元的系统焦距可变。 本发明中物方入射光线按顺序分别进入第一光学组1和第二光学组2，在探测器 7处成像。
本发明中用于目标探测的变焦和调焦系统，变焦和调焦过程中两个光学组 的轴上间隔不变，第一组元和第二组元内部光学元件之间的间隔不变，第一组 元和/或第二组元的系统焦距可变。
本发明中所涉及的变焦和调焦系统采用两个可变形镜。
本发明中第一光学组和第二光学组的光学焦距变化，是通过改变第一可变 形镜3和第二可变形镜4的面型实现。
本发明中所涉及的变焦和调焦系统采用两个可变形镜，其中第一光学组1 有一个第一可变形镜3， 一个折反射光学元件或光学系统5，第二光学组2有一 个第二可变形镜4。
本发明中所涉及的变焦和调焦系统结构，其探测器7在变焦和调焦过程中 静止不动，通过控制可变形镜不同位置上的微镜位置，可以改变通过它的光波 的波面形状。在将可变形镜应用于目标探测器中，实现变焦和调焦功能时，光 学系统的设计需要考虑三个约束。第一个是可变形镜的口径和在系统中的位置， 以满足系统的f/number和尺寸要求。孔径光阑在系统不同位置，可变形镜校正 像差能力有差异，可变形镜口径要求也不同，因此需要对孔径光阑的位置进行
优化，以达到最佳系统性能。第二个是可变形镜的焦距变化范围，以满足系统
变焦比。可变形镜的微镜移动行程很小(正负10微米)，所引入焦距变化范围
有限，需要对焦距变化范围进行设计，以增大系统变焦比。第三个是可变形镜 在系统中的位置和光线的入射角，以实现系统像差校正。本发明对以上约束进 行了控制。
变焦范围为70~300毫米，探测器为1/3英寸CCD，光学系统在焦距70毫 米时的f/number为4.6，变焦系统在焦距70毫米时观察角为±2.45°，焦距300 毫米时观察角为±0.57°。调焦范围8米 无穷，无穷距离时可对目标定位，可在 8米到无穷远范围内运动中观察目标形态，实时调整姿态。
本实施例子中光学系统可以实现70 300毫米的变焦以及8米 无穷的调焦， 在70 300毫米的变焦范围内，对光学系统的像差实现校正。
本实施例子中孔径光阑位于第一光学组l，以减小变焦系统的结构尺寸。实 验证明，当系统f/number不变时，孔径光阑位于第二光学组2时，第一光学组 和第二光学组中孔径光阑前的光学元件直径是孔径光阑位于第一光学组1时的 1.5~2倍。
本实施例子中的基于可变形镜的变焦和调焦系统，第一光学组中反射镜法 线与光轴夹角^,，第一光学组中第一可变形镜的法线与光轴夹角&2，其夹角关 系为
H45' (2) 本实施例子中可变形镜微镜的最大行程为正负IO微米时，系统的子午面和 弧矢面的光线偏转角度有限，从而保证了系统像差校正，艮P:
6^2<=15° (3) 本实施例子第二光学组中均有一片反射镜和一个可变形镜，其中第二光学 组的光线，先经过第二可变形镜反射，再经第二光学组的第一反射镜反射，最 后到达探测器；利用可变形镜可实现微量曲率变化进而改变系统焦距的特性， 对整体光学系统中各个元件结构参数做了合理的设置、像差平衡和系统优化， 使光学系统变焦比达到4.3。实施例子1系统焦距70毫米时，第一可变形镜的 近轴焦距为703.63毫米，第二可变形镜的近轴焦距为-2294.95毫米，系统焦距 300毫米时，第一可变形镜的近轴焦距为1288.39毫米，第二可变形镜的近轴焦 距为-3410.27毫米；实施例子2系统焦距70毫米时，第一可变形镜的近轴焦距
为703.35毫米，第二可变形镜的近轴焦距为755.01毫米，系统焦距300毫米时， 第一可变形镜的近轴焦距为1260.19毫米，第二可变形镜的近轴焦距为4510.2 毫米，偏置量在商用可变形镜的参数范围内。
第一可变形镜3被确定为孔径光阑，可变形镜面型设为非球面，则可变形 镜在光学系统入瞳位置对球差、慧差等系统像差可以实现更好校正。
权利要求
1.基于MOEMS的自动变焦和调焦系统，包括第一光学组、第二光学组和探测器；第一光学组包括第一可变形镜和第一反射镜，第二光学组包括第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、第一反射镜、第三负透镜、第二可变形镜、第三正透镜、第四负透镜、第四正透镜、第五负透镜，系统从物方到像方的光学元件依次为第一光学组的第一可变形镜，第一光学组的第一反射镜，第二光学组的第一正透镜，第二光学组的第一负透镜，第二光学组的第二正透镜，第二光学组的第二负透镜，第二光学组的第一反射镜，第二光学组的第三负透镜，第二光学组的第二可变形镜，第二光学组的第三正透镜，第二光学组的第四负透镜，第二光学组的第四正透镜，第二光学组的第五负透镜，其特征在于第一光学组的第一可变形镜的法线与物方入射光线的光轴夹角等于11°，第一光学组的第一可变形镜中心法线与第一光学组的第一反射镜法线的夹角等于45°，第一光学组的第一反射镜法线与第二光学组第一正透镜光轴的夹角等于56°，第二光学组的第一正透镜光轴和第二光学组的第一负透镜光轴为平行且同心，第二光学组的第一负透镜光轴和第二光学组的第二正透镜光轴为平行且同心，第二光学组的第二正透镜光轴和第二光学组的第二负透镜光轴为平行且同心，第二光学组的第二负透镜光轴和第二光学组的第一反射镜法线夹角等于45°，第二光学组的第一反射镜法线和第二光学组的第三负透镜光轴夹角等于45°，第二光学组的第三负透镜光轴和第二光学组的第二可变形镜中心法线夹角等于45°，第二光学组的第二可变形镜中心法线和第二光学组的第三正透镜光轴夹角等于45°，第二光学组的第三正透镜光轴和第二光学组的第四负透镜光轴为平行且同心，第二光学组的第四负透镜光轴和第二光学组的第四正透镜光轴为平行且同心，第二光学组的第四正透镜光轴和第二光学组的第五负透镜光轴为平行且同心，第二光学组的第五负透镜光轴和探测器中心法线为平行且同心，从物方入射光线在第一光学组的第一可变形镜处被反射，再在第一光学组的第一反射镜处反射，反射的光线进入第二光学组，透射通过第二光学组第一正透镜，透射通过第二光学组第一负透镜，透射通过第二光学组第二正透镜，透射通过第二光学组第二负透镜，在第二光学组第一反射镜处被反射，透射通过第二光学组第三负透镜，在第二光学组第二可变形镜处被反射后，透射通过第二光学组第三正透镜，透射通过第二光学组第四负透镜，透射通过第二光学组第四正透镜，透射通过第二光学组第五负透镜，最后到达探测器。
全文摘要
本发明的基于MOEMS的自动变焦和调焦系统，包括第一光学组、第二光学组和探测器；第一光学组包括第一可变形镜和第一反射镜，第二光学组包括第一正透镜、第一负透镜、第一双胶合透镜、第二可变形镜、第二负透镜、第二反射镜、第二双胶合透镜、第二正透镜、第三负透镜，系统从物方到像方的光学元件依次经过上述光学元件。该变焦光学系统像差校正良好，系统探测精度高，稳定性好。变焦光学系统有很大变焦比，目标探测范围可变，可以在较大范围内寻找目标，并实现快速精确定位。
文档编号G02B27/00GK101369052SQ20081011943
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月29日 优先权日2008年8月29日
发明者勇 宋, 程雪岷, 群 郝 申请人:北京理工大学